Le procédé de prototypage de microsystèmes MUMPS65 offert par Cronos est un procédé de micro-usinage en surface de propos général. Ce procédé a été généré à partir de travaux précédents réalisés au Berkeley Sensors and Actuators Center (BSAC) à la fin des années 80 et au début des années 90. L’évolution des procédés de Berkeley vers la technologie MUMPS a été motivée par l’idée de créer une plate-forme flexible pour le développement de microsystèmes.
Nous décrivons brièvement la technologie MUMPS que nous avons utilisée pour la fabrication d’un commutateur optique. Les idées présentées ici se focalisent exclusivement sur les aspects de la technologie et les techniques de conception ayant un rapport à la fabrication de commutateurs optiques.
Le procédé de fabrication MUMPS s’effectue sur un wafer type N de 100 µm d’épaisseur, le wafer étant fortement dopé dans la surface, avec du phosphore ; cela au moyen d’une diffusion thermique. Un substrat très dopé constitue un très bon plan de masse pour les dispositifs électrostatiques.
Une couche de nitrure de silicium de 0.6 µm est déposée sur le substrat par LPCVD66. Le nitrure est typiquement utilisé comme couche électriquement isolatrice, soit pour isoler les composants microsystèmes du substrat, soit pour isoler distinctes structures déposées sur le nitrure. La gravure accidentelle du nitrure peut occasionner des courts-circuits à travers le substrat. Cependant, quelques méthodes sont utilisées pour graver délibérément la couche de nitrure permettant ainsi la fabrication d’un plot de substrat du même côté que le microsystème.
Une couche de silicium polycristallin (poly0) de 0.5 µm est déposée par LPCVD. Ensuite, une séquence de lithographie et de gravure RIE67 (associée au masque POLY0) est utilisée pour le transfert de motifs sur la couche poly0. Les motifs fabriqués en poly0 restent fixes au substrat à la fin du procédé de fabrication, constituant typiquement soit des pistes électriques, soit des barrières électrostatiques.
Une couche de PSG de 2.0 µm appelée premier oxyde est déposée par LPCVD. Le premier oxyde constitue une couche sacrificielle qui sera retirée à la fin du procédé de fabrication afin de libérer les structures mécaniques. Le premier oxyde subit deux séquences de lithographie et de gravure, la première séquence (associée au DIMPLES) a pour but la formation de cavités de 0,75 µm de profondeur, alors que la deuxième séquence (associée au masque ANCHOR1) effectue la perforation entière de la couche d’oxyde. Normalement, les deux sortes de cavités seront remplies par la première couche structurelle de silicium (poly1) déposée ultérieurement.
Les cavités créées sur le PSG utilisant le masque DIMPLES servent à introduire des irrégularités (des fossettes) dans la première couche structurelle, plane autrement; cela réduit le problème de collage de cette couche structurale contre le substrat, après la gravure de la couche sacrificielle. Le masque ANCHOR1, quant à lui, permet la formation de points d’ancrage pour les structures fabriquées en poly1 ; ainsi on peut relier les structures en poly1 soit aux structures en poly0, soit au nitrure. Etant donné qu’aucune couche dans la
66 LPCVD : Low Pressure Chemical Vapor Deposition.
technologie MUMP est aplanie, chaque nouvelle couche déposée reproduit le profil de la pile de couches se trouvant dessous. Les cavités formées par les masques DIMPLES et ANCHOR1 dans le premier oxyde représentent donc la possibilité de créer des profils particuliers dans les couches structurelles.
Une première couche structurelle de silicium polycristallin de 2 µm (poly1) est déposée. Par la suite, une couche de PSG de 200 nm est aussi déposée. Le wafer est recuit à 1050 °C ; ce procédé thermique sert d’une part, à doper la couche poly1 avec le phosphore disponible dans les couches de PSG. D’autre part, recuire le wafer permet de réduire la contrainte mécanique résiduelle de la première couche structurelle. Ensuite, la couche de PSG de 200 nm est gravée et utilisée comme masque pour la gravure de la couche poly1. A la fin du procédé de fabrication, quand l’oxyde sacrificiel est retiré, les composants en poly1 sont, soit libérés du substrat, soit ancrés en lui. Les structures en poly1 suspendues sont séparées du substrat d’une distance équivalente à l’épaisseur du premier oxyde (2 µm).
Une couche de PSG de 0,75 µm appelée deuxième oxyde est déposée. Ensuite, une séquence de lithographie et de gravure (associée au masque POLY1_POLY2_VIA) sert à créer les vias dans le deuxième oxyde qui serviront à relier les structures en poly1 avec une deuxième couche structurale (poly2) à déposer ultérieurement. Par la suite, une autre séquence de lithographie et de gravure (associée au masque ANCHOR2) est utilisée pour perforer les deux couches d’oxyde ; cela permet de créer des points d’ancrage pour la deuxième couche structurale, soit sur poly0, soit sur la couche de nitrure.
Maintenant, la deuxième couche structurale de silicium polycristallin (poly2) est déposée. Ensuite, une couche de 200 nm de PSG est aussi déposée. Le wafer est recuit à 1050 °C pour doper la deuxième couche structurale ainsi que pour réduire la contrainte mécanique résiduelle de cette couche. La couche de poly2 subit une séquence de lithographie et de gravure (associée au masque POLY2). A la fin du procédé de fabrication, les structures en poly2 sont, soit ancrées au substrat, soit ancrées au poly1. Les structures de poly2 ancrées au substrat peuvent servir de barrières pour maintenir sur place les structures en poly1 libérées du substrat ; ce type de barrières est typiquement utilisé dans les moteurs, et dans les actionneurs contenant des éléments glissants. Des structures de 2,75 µm d’épaisseur peuvent être créées par dépôt de poly2 sur poly1 en utilisant le masque POLY1_POLY2_VIA. La forme des structures est donc définie par le masque POLY2. Les structures épaisses permettent d’augmenter la force dans certains types d’actionneurs électrostatiques, par exemple dans les actionneurs à peignes interdigités.
Ensuite, le wafer est recouvert de résine photosensible qui est gravée (utilisant le masque METAL). Une couche d’or de 0,5 µm est déposée et sélectivement gravée par lift-off. La couche métallique est utilisée soit pour fabriquer des miroirs, soit pour fabriquer des pistes à
basse résistance électrique. Dans la technologie MUMPS, le métal est toujours mieux déposé sur poly2 que sur poly1.
Le procédé de MUMPS se termine par le dépôt d’une couche protectrice d’oxyde, et la découpe des puces.
Le Tableau 1 résume les différentes couches de la technologie MUMPS indiquant l’épaisseur et les niveaux de lithographie associés à chacune. Les niveaux HOLE0, HOLE1, HOLE2 et
HOLEM n’ont pas besoin de masques additionnels ; ces niveaux sont incorporés respectivement aux niveaux POLY0, POLY1, POLY2 et METAL pour la génération de quatre masques uniquement. Les premiers quatre niveaux ont été définis pour faciliter la conception du layout. Ils apportent une manière facile de synthétiser des trous dans les couches de silicium polycristallin et dans la couche d’or, une tâche assez courante dans la conception de microsystèmes. Par exemple, les perforations sont typiquement nécessaires dans les grandes structures pour faciliter la gravure de l’oxyde sacrificiel. Des matrices à trous définies par les niveaux HOLE1, HOLE2 et HOLEM produisent les raccourcis nécessaires pendant la gravure à l’acide fluorhydrique.
Matériau Epaisseur Nom des niveaux de lithographie
♦ nitrure de silicium 0,6 µm -
♦ silicium polycristallin 0,5 µm POLY0, HOLE0
♦ PSG 2,0 µm DIMPLE, ANCHOR1
♦ silicium polycristallin 2,0 µm POLY1, HOLE1
♦ PSG 0,75 µm POLY1_POLY2_VIA, ANCHOR2
♦ silicium polycristallin 1,5 µm POLY2, HOLE2
♦ or 0,5 µm METAL, HOLEM
Tableau 6.1. Niveaux de lithographie de la technologie MUMPS.
Les différentes couches de la technologie MUMPS sont illustrées dans la Figure 6.3 ; nous ne montrons pas les trous dans les structures de silicium polycristallin. Le profil illustré présente des points d’ancrage à la couche de nitrure ainsi qu’à la couche de poly0 ; ces points d’ancrage sont créés par le masque POLY1 (fusion des niveaux POLY1 et HOLE1). Des points d’ancrage pour poly2 au nitrure et au poly0 sont aussi montrés, ils ont été créés par le masque POLY2 (fusion des niveaux POLY2 et HOLE2). Nous montrons aussi une via poly1-poly2. A droite il y a une structure d’or sur poly1-poly2. Afin d’éviter la discontinuité de la couche d’or, il ne faut pas déposer le métal sur un profil trop abrupt.
anchor1 via anchor2
anchor1 anchor2
substrat
Figure 6.3. Profil des couches dans la technologie MUMPS.
En ce qui concerne la libération des structures mécaniques, les puces de MUMPS sont d’abord trempées dans l’acétone pour enlever la couche de résine de protection. Les structures mécaniques sont après libérées par gravure à l’acide fluorhydrique à 49 % pendant 2,5 minutes. Ensuite, nous rinçons les puces avec de l’eau distillée. Finalement, les puces sont trempées dans de l’alcool pour les laisser sécher dans un four à 120 °C.